基于图像采集与识别的输电线路覆冰监测系统

Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ
ｏｎ Ｄｏｎｇ Ｘｉｎｇｈｕｉ２
ｏｆ Ｏｖｅｒｈｅａｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ
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Ｉｍａｇｅ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｃａｏ Ｎｉａｎｈｏｎｇｌ
Ｃａｏ ｙｚｊｕｎｌ
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Ｙｏｎｇｔａｏｔ
电力系统
算法实现【５．６】，风速、风向数据的采样间隔为２ｍｉｎ， ３ｓ滑动平均值做为瞬时值，气温、湿度、气压的采 样间隔为ｌＯｍｉｎ，ｌｍｉｎ算术平均值做为瞬时值，雨 量的采样间隔为１ｒａｉｎ，采样的为雨量累计值。 系统采用自报与应答兼容工作方式。在整 １０ｍｉｎ时刻，在线检测装置向中心站主动上送风速、 风向、气温、湿度、气压的瞬时值及雨量累计值， 此外，在气温和湿度达到一定条件后系统系统还将 拍摄并远传一副图片；在整点时刻，在线检测装置 向中心站主动上送风速、风向、气温、湿度、气压 的瞬时值、风速、风向的１０ｍｉｎ平均值，极大值， 图像，ＲＴＵ状态，同时，监测装置还将每２ｍｉｎ采 集的风速、风向瞬时值进行整编同时发送到中心站。 在任何时刻，在线监测装置在接收到远程平台发送 的招测命令或远程提取图像命令时，在线监测装置 会立即启动采样或抓拍动作，并将采集的气象瞬时 值数据或图像远传到中心站。 远程传输采用ＧＰＲＳ信道，ＡＣＳ３００．ＭＭ内嵌 ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，通过控制ＧＰＲＳ ＭＯＤＥＭ的方式进 行ＧＰＲＳ收发数据，系统采用空闲下线的工作方式。 通过避免一直在线一方面可以节省系统功耗，另一 方面还节省了通信费用，提高了系统可靠性【＿７１。
ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ
ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｎｏｒｍａｌ ｗｅａｔｈｅｒ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｉｍａｇｅ ａｎｄ ｗｅａｔｈｅｒ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｅｒｅ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ
ｃａｎ
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线路槭性表
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图１系统功能设计图
５２
Ｉ电’技贰
２０１０年第８期．智能电网技术及装备专刊
万方数据
电力系统
４．１图像读取 图像分为两种类型处理，初次覆冰计算前，要 先对该摄像头下的裸线进行处理分析，获取该摄像 头对应的拍摄参数（图像比例系数以及图像倾斜角 度）。基于获取的两个值再对该摄像头所拍其他图像 进行覆冰厚度识别计算。 ４．２图像预处理 图像预处理的目的是去除干扰、噪声及差异，将 原始图像变成适于计算机进行特征提取的形式和质 量图像，它包括图像的变换、旋转、增强和滤波等。 图像变换通常是利用傅里叶变换、余弦／正弦变 换、沃尔什变换、哈达码变换、小波变换等的性质 和特点，将图像转换到频域或空域中进行处理，以 改善图像质量，同时还能提高运算处理速度。 图像的旋转主要是对构成图像的所有像素点进 行一定角度的旋转已达到数据分析的要求。 图像的增强主要是指利用各种数学方法和变换 手段提高图像中人们感兴趣部分的清晰度，突出一 幅图像中的某些信息，同时削弱另一些无用信息， 包括图像灰度修正、噪声去除、图像平滑、腐蚀、 锐化、图像边缘增强等。 ４．３图像分割与边界轮廓提取 图像分割与边界轮廓提取是整个图像识别算法 的核心。 图像分割的目的是对感兴趣的目标提取或测 量。首先对图像进行边缘检测，考虑到覆冰输电线 图像的无规则性，系统采用阈值处理进行边缘轮廓 检测。并进一步对覆冰图像进行轮廓提取。图像特 征提取的作用是对图像信息进行整理、分析、归纳， 抽取能反映图像本质边界的特征，得到可用于判决 的参量。判决或分类是指通过对特征量／参量与阈值 进行计算、比较和分析，判断出图像的状态或本质， 得到最终的输出结果。 图像边界轮廓提取所做的工作是从识别出的边 缘提取出来，便于进一步的处理计算。经过阈值二 值化处理后的覆冰图像，由于光线等因素影响，在 覆冰输电线轮廓中可能出现一些干扰区域，对线路 特性值计算产生较大影响。通过对覆冰图像分析，
３在线监测装置关键技术
３．１低功耗设计技术 针对输电线路无有效供电、无人值守的特点， 在线监测装置采用南京南瑞集团公司的新型 ＡＣＳ３００．ＭＭ微功耗、高可靠数据采集器作为核心 数据采集器，该数据采集器内部实现了各种能耗的
４图像识别关键技术
图１给出了系统的功能设计。分为５个子功能： ①图像读取，②图像预处理，③图像分割，④图像 轮廓提取，⑤线路特性值计算。
【ｌ】付斌，李仲夫，姚勇等．输电线路上冰风荷载的实时监 测系统【Ｊ】．中国电力，２００１，３４（４）． 【２】汪江，田万军．输电线路覆冰重量和厚度在线监测系 统的研究【Ｊ】．华东电力，２００９．３７（９）． 【３】吴娅，张峰，冯钦华．广东电网覆冰在线监测系统的研 究及应用【Ｊ】．广东电力，２００９，２２（５）． 【４】张予．架空输电线路导线覆冰在线监测系统【Ｊ】．高电 压技术，２００８，３４（９）． 【５】 中国气象局．地面气象观测规范．北京：气象出版 社，２００３．１ １． 【６】 国家电网公司．架空输电线路气象环境在线监测系统 技术导则．２００９．６． 【７】曹翊军，曹年红，周海等．一种新型的ＧＰＲＳ／ＣＤＭＡ水 情自动测报系统【Ｊ】．水电自动化与大坝监测，２００９（２）． 【８】南京南瑞集团公司．ＡＣＳ３００．ＭＭ用户手册．
智能电网技术及装备专刊．２们。年第８期电唧技戒ｌ
万方数据
５３Leabharlann （１．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ／Ｎａｎｊｉｎｇ ＮＡＲＩ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００３；
２．Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２０６；３．Ｆｕｊｉａｎ
统一调度，静态功耗小于１００ｕＡ，工作功耗约为 ３０ｍＡ［引。在线监测装置以ＡＣＳ３００．ＭＭ为核心实现 了供电电源的动态统一调度，实现了系统级的低功 耗解决方案。 ３．２图像与数据一体化传输 ＡＣＳ３００．ＭＭ数据采集器实现了多媒体数据与 传感数据的一体化传输。这主要体现在两个方面。 一方面，多媒体数据与传感数据通过同一信道传输； 另一方面，传感数据与多媒体数据相互关联。 多媒体数据与传感数据通过同一信道传输主要 需要解决的是在ＧＰＲＳ／ＣＤＭＡ这种带宽下如何快 速、可靠地进行图像的传输。为此，ＡＣＳ３００．ＭＭ 基于ＧＰＲＳ／ＣＤＭＡ信道的特点专门设计了以ＵＤＰ 协议为基础的文件传输控制协议。 覆冰只在少数气温、湿度均达到一定条件后才 会发生，因此，绝大多数情况下是无需远程传输图 片的，而在满足一定条件后，又需要密切关注当前 覆冰状态，因此定时报的方式无法完全满足这种需 求。为此，系统增加了条件报的工作方式，在气温 和湿度达到一定条件后，自动启动图像抓拍远传功 能，而在平时，只进行少量的图像传输实现系统平 安报功能，从而一方面节省了流量费用，另一方面 也节省了功耗。
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０００３）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ
ａ
ｔｙｐｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｌｉｍａｔｅ ａｎｄ ｉｃｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ
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ｉｍａｇｅ
ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｓｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｕｃｈ
ｉｍａｇｅ ｆｏｒ
ｕｓｅｒｓ
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ｒｅａｌｉｚｅ
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ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｌｏａｄ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｖｅｒｈｅａｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ；ｍｉｃｒｏｃｌｉｍａｔｅ；ｉｃｉｎｇ；ｍｉｃｒｏ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ：ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ：ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ
电力系统
基于图像采集与识别的 输电线路覆冰监测系统
曹翊军１董兴辉２ 曹年红１ 吴虹３祈永涛１
（１．国网电力科学研究院／南京南瑞集团公司，南京２１０００３； ２．华北电力大学，北京１０２２０６；３．福建省电力公司，福州３５０００３） 摘要本文提出了一种以图像采集和覆冰识别算法为基础的微气象与覆冰监测系统。系统解 决了其中的微功耗、标准气象数据采集、图像与数据一体化传输及覆冰图像识别等关键技术，为 用户提供直观覆冰图片的同时实现了覆冰的定量分析。与传统的覆冰荷载应力监测方式相比，具 有安装方便、直观有效的优点。 关键词：架空输电线路；微气象；覆冰；微功耗；图像采集；图像识别 Ｉｃｅ
在提取的所有轮廓中，覆冰输电线轮廓始终为最大。 同时，输电线轮廓无法通过固定的特征进行匹配识 别。因此，将包含区域面积最大的轮廓作为覆冰输 电线轮廓，用背景灰度值填充其他轮廓区域，这样 就能顺利将覆冰输电线提取出来。
５结论
以这种方式建立的覆冰在线监测系统已在福建 建宁县泰舟线上成功应用，系统提供两种覆冰识别 方式，一种是通过系统安装调试后内置的算法进行 自动识别，覆冰厚度识别精度可以达到８５％，能满 足初步的应用需求，如需更精确的数据或适应一些 恶劣天气条件的覆冰识别，可以进入专家模式选择 相应的识别算法及参数进行精细化识别。 与传统的覆冰荷载应力等监测方式相比，基于 图像采集与识别的输电线路覆冰监测系统具有安装 维护方便、直观有效的优点，具有较大的推广应用 前景。 参考文献